金属板材的复杂曲面复合成形加工方法_赖燕君.pdf

98科学技术Science and technology金属板材的复杂曲面复合成形加工方法赖燕君摘要：在我国汽车、船舶、飞机等制造工业高速发展的影响下，各种产品更新换代的速度更快，产品品种和类型也越来越多，对于板材弯曲成形的需求量也越来越大。和以往的薄板冲压成形相比较来说，复杂曲面厚板成形一直以来都是金属板材成形领域的一大挑战。不同板材成形技术的优势和缺点各不相同，为了更好地发挥出不同成形加工方法的优势和作用，很多学者对其进行了不断地研究，为板材成形精度的提升奠定了很好的基础。基于此，本文对金属板材的复杂曲面复合成形加工方法进行了分析研究，对复杂曲面复合成形加工方法进行了详细分析研究。希望可以为提高复杂曲面复合成形精度的提升提供一些有价值的参考。关键词：金属板材；复杂曲面复合成形；加工方法近些年，我国机械制加工领域得到了高速发展，在此过程中金属板材复杂曲面复合成形加工工艺技术也得到了很好的发展，不仅提高了加工效率，同时也提高了加工质量，满足了工业制造生产的需求。为了更好地提升板材弯曲成形的精准度和质量，为我国机械制造业的发展提供重要的技术支撑，本文以金属板材为案例，对复杂曲面复合成形加工工艺和方法进行了详细分析探讨。1 热辅助单点渐进成形技术1.1热辅助单点渐进成形技术介绍热辅助单点渐进成形工艺常常会应用在一些延性比较差的成形材料中。钛合金和轻质镁合金通过增加形成温度的方式来将其韧性面充分激发出来，从而提升金属材料的弹性。另外，铝合金、低碳合金钢和 5182-Oalloy 也常常被应用在热辅助渐进成形材料中。此外，在温度比较高的环境下，成形过程中也会造成板材的回弹和成形力的降低，提高板材的成形极限。热辅助渐进成形技术应用过程中可以通过全局加热和局部加热的方式开展。（1）局部加热。在进行局部加热的过程中，如果把加热温度提高到250的情况下可以对板材的成形性有所改变，但是，也会受到加热工具的影响，比如，采用卤素热源来进行加热的话，在和刀架接触区域之外的区域中会存在一定的热量，加热并不会出现局部化。另外，如果将静态加热和刀具高速旋转摩擦的方式来进行加热的话，比如，如果对1mm厚的5级钛板进行加热，制作一个一定比例的汽车门壳。整个板材在加工时，需要用电子带加热器来进行加热，在温度达到150的时候，成形工具头可以控制在800rpm 1600rpm左右，并让其在此范围内进行旋转，这时，温度会有所提升，达到100 180之间，从而起到局部加热的作用。在此过程中，因为刀具触头和工件之间的摩擦，刀具会出现磨损的问题，这样会对工件表面产生不良影响，并且因为带式加热器位置也会对其产生一定的影响，薄片会产生温度不均匀分布的问题。在利用激光辅助成形中，采用激光设备来进行金属板材的成形，往往成形工具会在一边，在于成形工具一定距离的位置对板材进行照射。采用一个专用的激光光学设备来引导形成激光束，并借助于镜子或者是棱镜旋转的方式来将激光汇集成焦点。在利用激光辅助单点的方式来对其进行处理，在加热温度达到400左右后，可以将1.5mm厚的5级钛板的成形性进行提升。另外，电加热辅助渐进成形也是一种局部加热的工艺，这种工艺主要是利用电阻加热定律的方式，在电流从主轴通过板材的过程中，对板材产生局部加热的作用。在电辅助加热下1mm厚的AZ31可以实现成形角度为65左右。（2）全局加热。在0.5mm厚的AZ31板材成形加工中，采用150以上的温度来对其进行加热处理可以很好地提高板材的成型性。并且，利用多级成形的方式以及热渐进成形两种方式来进行加热处理，温度如果控制在150的情况下，其成形角度可以达到60。金属板材如果放置在磨具周围的加热带进行加热处理，和比例积分微分控制器连接在一起的三个热电偶可以提高加热温度的恒定性，如果将加热的温度设定为300，那么金属板材的成形角度可以达到60。（3）采用激光弯曲的方式具有一定的局限性，比如，在进行扫描的过程中，器塑性变形会比较小，并且那些比较厚的金属材质板的弯曲性非常差；另外，对于板材的弯曲方向的把控性也99科学技术Science and technology非常差。为了更好地解决这些问题，预载荷激光弯曲金属板材工艺运用而生。首先，先对金属板材在弹性范围内被夹具弯曲并形成弹性变形；其次，用激光来对金属板弹性应变能集中区域进行扫描，在扫描结束，扫描位置冷却到正常温度之后，此时的金属板才能被卸载。2 复杂曲面复合成形数控加工方法分析2.1数控加工零件技术分析本文中研究的零件位金属板材的容器端盖，生类型为批量生产，并且该零件的顶面为R150的圆弧面，和顶面相交的两个圆弧位凹槽，从A-A剖面时相互垂直的两段直线和一段圆弧线形成；从C-C剖面发现是由R17.3的圆弧和一段直线形成，也就是凹槽由两元胡面和两个平面形成的。2.2加工工艺方法分析在各种加工工艺技术高速发展的影响下，采用粗加工厚淬硬在进行精铣的方式不仅可以提高精加工的效率，同时还可以提高精加工质量，在很大程度上降低后续手工对其进行打磨的工作量。如果采用粗精加工同机一次过加工方法，或者是粗加工和半精铣加工的方式，加工的时间和电火花加工方式相比所用时间会减少很多。这种加工方法可以对金属板材的曲面加工质量有所保障，在此工艺过程中需要选择切削用量、走刀的路径、刀具的类型。第一，在选择切削用量方面，如果切削以曲面、平面、凹槽、凸台加工要求为主，并且淬硬厚需要进行精加工处理，那么在平面加工时主轴的转速要控制在2700r/min，并且进给量也要控制在120mm/min左右，吃刀的深度要控制在0.5mm左右；曲面加工主轴的转速要控制在13000r/min，吃刀的深度要控制在0.2mm 0.4mm左右，进给量要控制在1000mm/min左右；凹槽加工时主轴的转速要控制在17000r/min，吃刀的深度要控制在0.2mm左右，进给量要控制在900mm/min左右；凸台加工过程中，主轴的转速要控制在17000r/min，吃刀的深度要控制在0.2mm左右，进给量要控制在800mm/min左右。第二，在选择刀具的时要注意以下几点。要选择高速切削整体性比较强的硬质合金PVD涂层立铣刀，这种刀具在高速切削淬硬钢的刀具基体为超细颗粒硬质合金。在进行铣刀时可以采用高速切削淬硬钢的整体立铣刀主要形式有常规性的2刃和多刃球头刀、2刃锥面球头刀、长颈球头刀、2刃带圆弧头平底刀、长颈带圆弧头平底刀、多刃直角平底刀、2刃直角平底刀。在加工淬硬刚用高速铣刀的工艺性方面，可以选择用三菱公司的超硬涂层整体硬质合金精加工立铣刀，可以采用干切削和顺铣工艺。选择直径1mm 6mm的2刃直角平底刀，用在切沟槽的位置。工件硬度要控制在45HRC范围之内，轴向切深不能高于0.01 0.2刀径；工件硬度控制在45HRC以上时，刀径要在1mm 3mm以上，轴向切深要控制在0.02 01刀具直径以内。如果在侧面精加工时，采用直径为2mm 6mm的4刃直角平底刀，工件的硬度要小于45HRC的话，轴向切深要在1.5刀径以内，径向切身不能大于0.1mm 0.2mm；工件硬度如果在45HRC以上时，轴向切深要小于刀径，径向切深也要在0.05刀具直径以内。对于R1mm 3mm的2刃球头刀，常常被应用在曲面精加工中，轴向切深要在0.1R以上，径向切深要控制在0.2R 0.4R之间。在高速加工的过程中，这些刀具的切削速度和进给速度会随着工件硬度和刀径的不同而发生改变，如果工件的硬度增加，刀具的转速特别是进给速度会降低，刀径增大，刀具的转速降低，而线速度相对比较高的情况下，进给速度也就会有所增加。第三，选择合适的走刀路径。合适地走刀路径可以起到对切削载荷的稳定性保证，这样可以对刀具起到很好地保护作用，同时也可以避免加工方向的突然性改变来保持高的进给的速度，确保复杂曲面加工的质量和效率。通过CAM系统来进行高速加工NC编程所生成的刀具路径，不仅可以满足尺寸和轮廓的高精度要求，同时还可以对加工工艺的加工细节进行详细考虑，选择合适的加工策略，设置合理的工艺参数，以此来对各种刀具的路径进行控制，改善切削的条件，合理控制加工时间，在避免刀具磨损的情况下，提高加工质量。在进行加工的过程中还要对加工刀具的轨迹进行控制，要保障刀具的轨迹光滑、没有干扰、没有碰撞、切削载荷平滑，可以满足加工要求；还要对零件的加工精度和表面的粗糙度进行控制；对走到的路线进行控制，要尽量缩短走到的路线，这样就可以减少进退刀的时间和其他辅助的时间；要对数据计算方式进行控制，以便捷为主，以此来减少工作量；还要对程序段数进行控制，尽量减少，零件轮廓的形状对加工效率、加工质量、变成计算的复杂性和零件程序长度等都会产生很大的影响。要参考金属板材型面的形状、刀具的形状、零件加工要求等来对走刀路径进行分析选择。复杂曲面复合成形加工走刀路径的选择有很多种，可以选择截面线性、参数线型、环型、也可以选择放射线型等方式。参数线走到的刀具轨迹规划和刀位计算相对来说比较简单，更加适合参数分布比较均匀的状态。如果是曲面网格分布不均匀或者是多个曲面共同形成的组合成型曲100科学技术Science and technology面情况下，截面法更加有效。环切法在边界受限制零件复杂曲面复合成形的加工工艺中比较多。而精加工工艺中，要先对凹槽和凸台继续加工处理，再进行复杂曲面加工，最后再进行平面加工。凹槽、凸台、曲面的加工方式可以采用截面法的方式进行走刀处理，加工平面时可以采用环切走刀法，并且还要对圆弧曲面的形状精度进行把控。3 复杂曲面加工中的自适应加工技术3.1在机检测分析先对检测设备进行配置。要将校准球、探针和测头座等参数进行设置。测头标定位和测头探针接触测量固定在机床工作台上直径已经校准的标准球上的不通过位置，由各个接触点的坐标值计算出测头的有效半径和标准球的球心坐标值，并将这些参数储存到系统中。在系统中输入CAD模型参数，将零部件模型导入系统中，系统读三维CAD模型数据。设置检测路径，并对检测路径进行规划，比如，复杂曲面的参数、测量速度、安全距离、接近距离等工艺参数，对可以进行碰撞位置和路径进行模拟确认，同时要将检测路径输出为NC代码，之后在机床上进行NC代码的运行。在机床上生成报告。3.2实施自适应加工第一，要先按照检测的结果报告来对零件或者是毛坯在机床上的位置进行确定。第二，将相关的数据参数等录入到NCPartlocator系统中。NCPartlocator系统会将对比之后形成的刀具路径名义位置和工件在机床上的实际位置进行对比分析，并自动将其移动旋转到刀具路径的原点位置，让刀具的路径和工件对齐，同时还将结果输出到机床控制器中。在对零件进行简单装夹定位之后，系统可以实时自动对其定位NC刀具路径，这样可以帮助操作人员准确定位工件的重复装夹定位，提高操作效率和精准度。具体的细节要先进行路径测量，可以采用在机检测软件来进行脱机编辑形成测量路径，之后利用软件自带的后处理功能来对测量路径的数控程序进行控制并将其传输到机床控制器中。其次，对零件的实际位置进行测量，按照零件的曲面要求来对齐加工坐标系和机床坐标系，在取得测量结果之后，根据读取的数据来进行计算，得出零件位置坐标系和机床坐标系的偏差值。之后，形成报告，在NC计算完后会自动形成一个比较准确的报告，该报告中有原始的CAD数模位置和调整过后的位置，将其进行对比来得出更加准确的信息。报告的文件名称也可以根据时间来进行定义，从而提高加工效率。最后，对零件和加工路径位置进行重新对齐处理。NCPartLocator系统可以产生坐标系移位命令，并将其发送到机床控制器中，之后对机床数控坐标系进行调整，将其调整到正确的零件坐标系下，然后通过自适应加工处理来对复杂曲面复合成形进行加工处理。4 结语在全球制造业高速发展的影响下，传统的工业制造行业得到了很大的发展，机械制造和工业生产制造产品的要求越来越高，不仅对产品设计师提出了更高的要求，同时对我国的机械加工制造也提出了严格的要求，尤其是在对一些金属材质的复杂曲面复合成形加工研究中，对于复杂曲面的复合成形加工技术和工艺方法提出了更高的要求。在